多嵌段共聚物嵌套结构的形成

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嵌套结构由于具有两种以上的尺度特性,能够对复杂的外部条件做出响应,在气体分离膜、药物载体和超级传感器有着广泛地应用前景,在过去几十年间引起了人们持续的关注。本论文为了得到目标结构,提出了一个设计原理:利用A(BC)2B多嵌段共聚物中长的A嵌段在大尺度上形成嵌套结构的模板,B和C嵌段进一步分相在微观尺度形成B/C中间层,通过自组装不仅形成了一维的嵌套层状结构和两维的嵌套柱状结构,而且得到了三维多连续的嵌套网状结构(Gyroid和O70)。运用自洽场理论通过比较嵌套结构的自由能得到了χBCN=10和80条件下的相图,结果发现在χBCN=80时嵌套网状Gyroid结构存在较宽的相区间。继续探究了χBCN对嵌套结构的影响并计算了相对应相图,在χBCN较大时得到了稳定的垂直层结构L⊥,其结果和实验阶段观察到的垂直层结构L⊥形成条件是一致的。同时随着χBCN增加得到了 B/C层数更少的嵌套层状结构。为了验证这个设计原理的可行性和有效性,将该设计原理应用到线型ABC三嵌段共聚物体系,结果也能形成一系列嵌套结构S3、C3、G3、L3和O703(其中Xk,X表示传统相结构,k表示B/C层数),通过对相图的分析发现在相图的左半部分(fA<0.5)嵌套网状结构G3和O703存在较宽的相区域。随后根据这个设计原理,采用逆向设计思路,在星型ABC体系中得到了各种垂直的嵌套结构(C⊥、L⊥、O70⊥和G⊥)。以上结果表明此设计原理是具有普适性的。最后为了使多连续的嵌套网状结构得到更加广泛的应用,通过改变fB/fC比值调控嵌套网状结构相区域的大小。通过对线型ABC三嵌段共聚物的相图分析发现通过改变fB/fC可以成功地调控嵌套网状结构O703和G3相区域的大小,在fB/fC=4和5时得到了嵌套网状结构较大的相区域。另外在相图左半部分(fA<0.5),通过改变fB/fC得到了嵌套结构S3、C3、G3和L3较大的相区间。本论文计算的结果对实验阶段制备这些嵌套结构提供了有用的指导和帮助。
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